JPH07118040A

JPH07118040A - 人工軽量骨材の製造方法

Info

Publication number: JPH07118040A
Application number: JP26118593A
Authority: JP
Inventors: Masamitsu Nanbu; 正光南部; Takao Tanosaki; 隆雄田野崎; Koji Kusaka; 浩司久坂; Tadashi Sueoka; 忠士末岡; Satoru Fujii; 悟藤井; Akio Shinozaki; 明夫篠崎; Kenichi Naito; 憲一内藤
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Chichibu Onoda Cement Corp; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; Taiheiyo Cement Corp; Shimizu Corp
Priority date: 1993-10-19
Filing date: 1993-10-19
Publication date: 1995-05-09

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の目的は、低吸水率で、高強度を有す
る様々な比重の人工軽量骨材を得るための製造方法を提
供することにある。【構成】本発明に係る人工軽量骨材の製造方法は、Ｓ
ｉＯ₂含有率が６３重量％以上であり、かつガラス含有
率が６０体積％以上である火山砕屑物及びこれらが固化
した凝灰岩から選択された１種または２種以上を粉砕し
て所定の粒度とし、得られた原料粉末を造粒、焼成する
ことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、主として建築用途に用
いる軽量コンクリートあるいは防音、断熱性等が求めら
れる建築材料に用いられる、主として天然珪酸塩化合物
を原料とする窯業製品である人工軽量骨材の製造方法に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】人工軽量骨材は主として建築物の軽量化
のためにコンクリートあるいは防音材、断熱材等に利用
されている。原料としては頁岩、フライアッシュ、汚泥
等が用いられている。世界的にみても、軽量骨材は低コ
ストで生産できることに重点が置かれていて、発泡剤、
粘結剤等も特に添加しないことが多い。このようなもの
では、比重の自由な調節はほとんど不可能であり、品質
についてみても２４時間吸水率が１０％以上もあり、強
度に至ってはほとんど考慮されていない。頁岩、フライ
アッシュ、汚泥等を原料とする従来の軽量骨材は、比重
１.２以上のものが中心であり、比重０.８以下になるよ
うなものは定常安定的には製造されていない。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来より市販されてい
る人工軽量骨材は、外部に通じる開気孔が多いため、２
４時間吸水率が高く、また、この気孔は強度を低下させ
る原因ともなっている。更に、吸水率が高いため、コン
クリート等と混練する際には、その前に長時間水に浸漬
して水を吸収させる必要があるので作業効率的に問題が
あった。また、開気孔に水分が残存した場合に、冬期凍
結するような使用環境下では凍結融解によりコンクリー
トが破壊する危険性もあった。

【０００４】また、従来の人工軽量骨材は、それ自体の
強度は小さいため、高強度コンクリート用骨材としては
利用できないという欠点もあった。

【０００５】更に、製造面よりみると、頁岩を初めとす
る岩石を原料とすると粉砕コストが掛かり、また、フラ
イアッシュや汚泥は粉砕の必要ないが、そのまま造粒で
きなかったり、乾燥にコストが掛かったりしていた。そ
して、何よりも原料の化学組成により発泡温度や発泡度
が限定され、様々な比重のものを自由に得ることはでき
なかった。

【０００６】従って、本発明の目的は、低吸水率で、高
強度を有する様々な比重の人工軽量骨材を得るための製
造方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】従来の頁岩、フライアッ
シュ等を原料とする人工軽量骨材にあっては、ジャーナ
ル・オブ・ザ・アメリカン・セラミック・ソサエテイー
(Journal of TheAmerican Ceramic Society)、Vol.３
４、No.４(１９５１)第１２１〜１２８頁によるいわゆ
るRileyの組成範囲が発泡の目安とされてきた。一部に
火成岩等のデータを含むこの実験によると、ＳｉＯ₂量
５２〜８０％、ＣａＯ＋ＭｇＯ＋ＦｅＯ＋Ｆｅ₂Ｏ₃＋Ｎ
ａ₂Ｏ＋Ｋ₂Ｏ量１２〜２０％の組成域にあるものが発
泡、膨張して軽量骨材化するとしている。

【０００８】火山砕屑物あるいは凝灰岩にあっても、こ
の傾向はおおまか成立するが、しかしながら、鉱物とガ
ラスの量比についての関係を把握したものは、このRile
yの文献を含めてなされていなかった。その理由として
化学組成のみに注目し、それを構成する物質の結晶状態
が骨材の気泡形状の支配要因となることを認識していな
かったためである。

【０００９】本発明者らは、本邦産の火山砕屑物あるい
は凝灰岩、頁岩等を広く評価し、組成とガラス含有率と
いう全ての原料に共通する指標に注目すると、ＳｉＯ₂
量６３重量％以上、ガラス含有率６０体積％以上という
条件を有するものを原料とし、粉砕、造粒、焼成する
と、連続開気孔の少ない高強度の人工軽量骨材が得られ
ることを見出し、本発明を完成するに至った。

【００１０】すなわち、本発明の人工軽量骨材の製造方
法は、ＳｉＯ₂含有率が６３重量％以上であり、かつガ
ラス含有率が６０体積％以上である火山砕屑物及びこれ
らが固化した凝灰岩から選択された１種または２種以上
を粉砕して所定の粒度とし、得られた原料粉末を造粒、
焼成することを特徴とする。

【００１１】

【作用】従来、人工軽量骨材の強度を支配する要因につ
いては明らかにされていなかったが、本発明者らの研究
によれば、人工軽量骨材の強度は、その内部に存在する
気泡の形状に依存することが判明した。すなわち、人工
軽量骨材に存在する気泡の形状の長軸方向と短軸方向の
長さを計測し、短軸長を長軸長で除した値(以下、長短
軸比と記載する)が０.６０以上であれば、人工軽量骨材
の独立気泡の数が多くなり、得られる人工軽量骨材は高
強度、低吸水率となる。

【００１２】また、原料中のガラスの含有率にも着目
し、ガラス含有率と気泡形状つまり骨材強度を向上させ
る条件を広く検討した結果、本邦に広く分布する火山
灰、火山軽石、シラスといった火山砕屑物あるいはこれ
らの固化した凝灰岩のうち、ＳｉＯ₂量６３％以上で、
ガラス含有率が６０体積％以上のもの原料とし、粉砕、
造粒、焼成して発泡、軽量化させることにより、上記長
短軸比の規定を満足し、低吸水率で、高強度の人工軽量
骨材を得ることができる。

【００１３】なお、本明細書において、「火山砕屑物」
とは、火山噴火の際に、重力に逆らい、空中に飛散した
粒子が再び地上に落下したものを言い、例えば粒度によ
り火山灰、火山砂、火山礫(組成により軽石あるいはス
ユリアと分けることもある)に分類される。また、産地
によりローム、シラス、ボラ等と称される堆積物のこと
で「降下テラフ」と同意義である。更に、「凝灰岩」と
は、狭義には火山灰固化物であるが、ここでは火山岩屑
を一部含むものを示す。

【００１４】また、火山砕屑物と岩石を比べてみると、
一定粒度に達するまでの粉砕エネルギーは火山砕屑物が
岩石に比べ著しい低エネルギーコストで粉砕できる。こ
れは、火山砕屑物が、個々の粒子が未固結か、結合が弱
いため、解砕され易く、容易に微粒子まで粉砕されるた
めである。更に、火山砕屑物の固化した凝灰岩も、マグ
マが直接固化した火成岩(マグマが地中深く徐冷された
深成岩「花崗岩」等とマグマが地表に噴出した溶岩の固
化した火山岩「玄武岩」等を含む)に比べ、やはり粉砕
コストは低く、コスト的にも有利な原料と言える。

【００１５】ちなみに、火山砕屑物、凝灰岩、頁岩、玄
武岩及び花崗岩等の粉砕性の比較を下記の表１に記載す
る。

【００１６】

【表１】

【００１７】上記表１に記載した粉砕性の評価は、各原
料をジョークラッシャーで処理して全粒子を３.３ｍｍ
以下にした後、JIS M 4002にある内径３０５ｍｍ、長さ
(内のり)３０５ｍｍのステンレスポットに所定の剛球と
共に７００ｍｌ入れ、回転速度７０ｒｐｍで粉砕し、各
時間粉砕したときの平均粉砕粒度と２時間粉砕における
仕事指数(Ｊ／ｋｇ)として表示したものである。なお、
平均粉砕粒度はレーザー回折式粒度測定機における体積
換算５０％値によるものである。

【００１８】また、火山砕屑物及びこれらが固化した凝
灰岩(以下、「本発明原料」という)のＳｉＯ₂量とは、
適切な検量線をもとに蛍光Ｘ線分析法等により求められ
るＳｉ量で、揮発成分(Ｈ₂Ｏ、ＳＯ₃等)を除いた固形分
酸化物換算(重量％)で示されるものである。また、「ガ
ラス含有量」は、本発明原料を薄片にし、偏光顕微鏡に
おける十字ニコル条件下で観察するとガラスは光学的等
方体であるためにほとんど暗黒となり、鉱物結晶は異方
体のため光を透過して明るく見え、それらの領域の面積
から算出されたガラス量(体積％)を示すものである。

【００１９】なお、本発明原料において、ＳｉＯ₂量を
６３重量％以上としたのは、この範囲において、造粒物
の焼成時に、気泡の形成に適した粘性と一般に言われて
いる１０⁶〜１０⁷ＮＳ／ｍ²［例えばセメントコンクリ
ート誌Ｎｏ．２５９、第５７頁(１９６８)など］が得ら
れることのためである。なお、ＳｉＯ₂量が６３重量％
未満となり、フラックス量が過多になると温度変化に対
する粘性の変化が大きくなり、適性粘性の温度範囲が狭
くなり、このような原料を使用して工業的に人工軽量骨
材を製造することは不可能である。

【００２０】更に、本発明原料において、ガラス含有率
を６０体積％以上としたのは、本発明原料を加熱した場
合に、その主要部分が液相となるので、上記部分溶融に
比べ独立気泡が多くなり、気泡の長短軸比も大きくな
り、得られる人工軽量骨材が高強度となるためである。

【００２１】なお、頁岩やフライアッシュなど従来の原
料は、結晶質の鉱物を多量に含み、これらは加熱と共に
部分溶融を起こし、ある温度において固液共存状態とな
り、液相のみでは、気泡の形成に適する粘性よりも小さ
く、従って、固液共存の条件下では、液相の方が粘性が
低く、気泡が壊れ易くなって連続気泡が生じ、これは気
泡の長短軸比を小さくし、人工軽量骨材の強度を低下さ
せるために好ましくない。

【００２２】本発明の人工軽量骨材の製造方法は、上記
本発明原料を所定の粒度にまで粉砕し、得られた原料粉
末に必要に応じて発泡剤、粘結材等を添加の上、造粒
し、得られた造粒物を焼成して発泡させるものであり、
それによって、得られる人工軽量骨材の気泡の長短軸比
は０.６０以上となり、高強度となる。

【００２３】なお、気泡の大きさ並びに量は、主として
焼成温度あるいは添加される発泡剤の量等により適宜変
化させることができ、これにより比重０.２〜１.５の範
囲内にある人工軽量骨材を容易に製造することができ
る。

【００２４】上述のような本発明原料は採石により通常
５０ｍｍ以下の粒径で入手するのが好ましいが、種類に
よってはそれ以上やそれ以下の粒径により入手される場
合もあり、何らかの分別はあっても良い。本発明では、
前記本発明原料を所定の粒度まで粉砕する。粉砕工程は
特に限定されるものではないが、例えば次のような工程
で行うことができる。まず、本発明原料をジョークラッ
シャー等で７ｍｍ径程度に粗粉砕後、ボールミル等で微
粉砕する。なお、粉砕は乾式粉砕でも、湿式粉砕でもど
ちらでも良い。ここで、粉砕粒度は細かければ細かい
程、焼成時にガラス相の形成が早まり、より短時間、よ
り低温での焼成が可能であるが、その分、粉砕コストが
高まるので、造粒に可能な５〜４０μｍ程度、望ましく
は２０μｍ以下の平均粒径まで粉砕すれば良い。

【００２５】本発明原料を所定の粒度まで粉砕した後、
造粒する。造粒は慣用の任意の装置及び方法により行う
ことができ、特に限定されるものではない。例えば造粒
はパンペレタイザー等を使用して一定水分添加の上、所
定径に造粒することが工業的には好ましく、得られた造
粒物はその後焼成に供される。

【００２６】なお、造粒操作を行い易くするため、モン
モリロナイト等の粘結材を本発明原料粉末に対して３〜
７重量％程度、また、発泡を促進するために発泡剤を
０.１〜１.５重量％程度添加することもできる。ここ
で、発泡剤としてはＳｉＣ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＣａＣＯ₃、Ｃ
ａＳＯ₄、Ｆｅ₂Ｏ₃、有機物例えばカーボンブラック等
を用いることができる。

【００２７】造粒された造粒物は、まず２００℃までの
温度の間に脱水される。なお、乾燥工程がある場合、焼
成におけるこの工程は省略できる。次いで、９００〜１
１００℃程度までの間に有機物等が燃焼揮散し、空隙が
造粒体内部に生じてくる。更に、加熱を続けることによ
って粒子同志の結合(焼結)があり、空隙が狭まり、更
に、ガラス相が形成されることによって、この空隙は充
填される。そして、このガラス相中に気泡が発泡剤の働
きなどで形成され、この気泡が冷却により固定されると
人工軽量骨材が得られる。なお、本発明の適性焼成温度
は１１００〜１４００℃付近である。ただし、造粒物の
化学組成及びガラス含有率により、焼成時のガラス形成
温度が異なってくるので、工業炉で焼成する前に予め実
験用の電気炉で焼成温度を確認しておくことが望まれ
る。

【００２８】焼成炉は静置型、トンネル型、回転型等を
使用することができるが、焼成量、焼成の均質性から工
業的にはキルン等の回転炉を使用することが有利であ
る。

【００２９】なお、本発明の人工軽量骨材の製造方法
は、骨材粒径のいかんに拘わらず適用できるものであ
り、通常コンクリート混練に必要とされる粗骨材(径５
〜１５ｍｍ)、細骨材(径０.６〜５ｍｍ)の両者とも単に
造粒時の粒径調整で対応可能である。

【００３０】また、本発明においては、焼成によりガラ
ス相を形成の上、安定化させており、不定形シリカは存
在しないため、アルカリシリカ反応を起こさない人工軽
量骨材であり、一般の工業製品同様実用面において何ら
か杞憂せずに用いることができる点も特記すべきことで
ある。

【００３１】

【実施例】

実施例１以下の表２に示す本発明原料を予め７ｍｍ以下に粗砕
し、得られた粗砕品を１１０リットルボールミルを使用
して、容積充填率６０％になるように試料２０ｋｇを投
入し、直径１０ｍｍ及び２０ｍｍのアルミナボール各５
０ｋｇずつと共に１０ｒｐｍで６時間乾式粉砕し、平均
粒径約２０μｍ、４０μｍ以下の粒子が全体の９５％以
上の容積を占めるまで粉砕した。なお、粗粉が混入する
と、その部分が欠陥をなし焼成後の物性に悪影響を及ぼ
すので、３００μｍ以上の粗粒子は篩分けにより除去し
た。次に、得られた原料粉砕に発泡剤としてＳｉ₃Ｎ₄を
０.２重量％、粘結材として市販のベントナイト(主成分
モンモリロナイト)を３重量％添加し、水分１５％程度
を加え、パンペレタイザーを用いて粒径がおよそ１０ｍ
ｍになるように造粒し、乾燥した。次に、電気炉を用
い、加熱速度を毎分１０℃として、最高温度の保持時間
は５分間として加熱をやめ、自然冷却後５００℃以下の
温度で取り出した。得られた軽量骨材の物性を表２に併
記する。

【００３２】

【表２】

【００３３】なお、比重及び吸水率は、JIS C 2141に準
拠して測定したものである。上記表２から明らかなよう
に、ＳｉＯ₂量６３重量％以上、ガラス含有量６０体積
％以上の本発明原料を用いて得られた軽量骨材は全て良
好な吸水率を有し、また、比重も小さく、人工軽量骨材
として良好なものであった。

【００３４】比較例１以下の表３に示す原料を用いて上記実施例１と同様の操
作により軽量骨材を得たところ、表３に示すような結果
が得られた。

【００３５】

【表３】

【００３６】なお、表３において、長野県Ｈ火山玄武岩
及び鹿児島県Ｊ火山火山灰を原料として用いたものは、
１２００℃以上の温度での焼成において、造粒物全体が
溶融して造粒形状を保持することができなかった。

【００３７】実施例２以下の表４に示す本発明原料(原料番号は表２と対応す
る)を実施例１と同様の操作によりφ１０.０±０.５ｍ
ｍに造粒し、得られた造粒物を表４に示す焼成温度にて
実施例１と同様の操作で焼成して軽量骨材を得た。得ら
れた骨材の物性を表４に併記する。

【００３８】

【表４】

【００３９】なお、ｎ＝１０の平均強度は、JIS B 1519
玉軸受定格荷重計測法に準拠し、骨材の形状のみを直径
約１０ｍｍの真球と仮定した圧潰強度である。

【００４０】比較例２以下の表５に示す原料(原料番号は表３と対応する)を実
施例１ど同様の操作によりφ１０.０±０.５ｍｍに造粒
し、得られた造粒物を表５に示す焼成温度にて実施例１
と同様の操作で焼成して軽量骨材を得た。得られた骨材
の物性を表５に併記する。

【００４１】

【表５】

【００４２】実施例３表２の静岡県Ｅ火山産流紋岩質軽石７を用いて実施例１
と同様の操作によりφ１０.０±２ｍｍに造粒して得ら
れた造粒物１００ｋｇを径６５０ｍｍ、長さ１０ｍのロ
ータリーキルンを用いて焼成温度１１６０℃、滞留時間
５分として焼成することにより粗骨材Ａ(比重０.６５、
気泡の長短軸比０.７４)を得た。また、表２の鹿児島県
東部分布シラス１１を用い、焼成温度を１１４０℃とし
た以外は同様の操作により粗骨材Ｂ(比重０.７２、気泡
の長短軸比０.７３)を得た。なお、比重２.５２の川砂
利を粗骨材Ｃとした。更に、表２の静岡県Ｅ火山産流紋
岩質軽石７を用いて実施例１と同様の操作によりφ２±
０.５ｍｍに造粒して得られた造粒物１００ｋｇを径６
５０ｍｍ、長さ１０ｍのロータリーキルンを用いて焼成
温度１１６０℃、滞留時間５分として焼成することによ
り細骨材Ａ(比重０.６９、気泡の長短軸比０.７３)を得
た。なお、比重２.１６の川砂を細骨材Ｂとした。

【００４３】上記粗骨材並びに細骨材を使用し、以下の
表６に示す配合割合にて、コンクリート製品を得、得ら
れたコンクリート製品について、JIS A 5002にある圧縮
強度試験法に従い、直径１００ｍｍ×高さ１８０ｍｍの
供試体の２８日圧縮強度試験を行った。得られた結果を
表６に記載する。

【００４４】

【表６】

【００４５】なお、コンクリート製品の製造に際して
は、最適の配合比やＡＥ剤の添加により本来配合比は決
定すべきであるが、本実施例においては水セメント比を
３６％、単位重量比を水１５０ｋｇ／ｃｍ³、セメント
４１０ｋｇ／ｍ³、粗骨材３８５ｋｇ／ｍ³、細骨材２８
５ｋｇ／ｍ³(両者比重０.６５時)、スランプ８.０ｃｍ
を基準に配合を行った。

【００４６】次に、JIS A 5308付属書８に準拠し、４０
×４０×１６０ｍｍの３連型枠を用い、所定の粒度(粗
骨材は粉砕し粒度調整)の骨材を使用してモルタルバー
を３本作成し、１４日、２８日、１２０日、１８０日後
の長さ変化を測定し、アルカリシリカ反応性を評価し
た。１２０日目で３本平均０.０５％以上の膨張を示し
た場合、無害でないと判定される。得られた結果を以下
の表７に記載する。

【００４７】

【表７】

【００４８】

【発明の効果】近年のコンクリート構造物の高層化並び
に建設工事の省力化に伴い、プレキャストコンクリート
部材の軽量化が強く望まれている。このような情勢下に
あって、本発明方法により得られる人工軽量骨材は、比
重を０.２〜１.５と自由に設定できる上に、低吸水率と
高強度といった従来の人工軽量骨材には見られない特徴
を有するため、軽量コンクリート製品の改善に大きく寄
与するものと期待される。また、本発明方法により得ら
れる人工軽量骨材は、多孔質なるが故に、防音、断熱性
も期待でき、開気孔が少ないため吸水率も低く、凍結地
における使用にも何ら障害はない。更に、本発明方法に
より得られる人工軽量骨材に使用される原料は天然物で
あり、プラスチック等と異なり、環境汚染を生じない点
も特徴の１つで、路盤緩衝材、植栽土押え等に用いても
環境に影響を及ぼさず、自然に優しい素材である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者久坂浩司千葉県佐倉市大作二丁目４番２号小野田セメント株式会社中央研究所内 (72)発明者末岡忠士山口県小野田市大字小野田6276番地小野田セメント株式会社小野田工場内 (72)発明者藤井悟山口県小野田市大字小野田6276番地小野田セメント株式会社小野田工場内 (72)発明者篠崎明夫東京都港区芝浦一丁目２番３号清水建設株式会社内 (72)発明者内藤憲一東京都港区芝浦一丁目２番３号清水建設株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ＳｉＯ₂含有率が６３重量％以上であ
り、かつガラス含有率が６０体積％以上である火山砕屑
物及びこれらが固化した凝灰岩から選択された１種また
は２種以上を粉砕して所定の粒度とし、得られた原料粉
末を造粒、焼成することを特徴とする人工軽量骨材の製
造方法。